利用變換介質(zhì)板操控電磁波相位的研究.pdf

1、超常材料是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，它的電磁特性可以按照人們的意愿調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)天然材料所不具有的奇異特性，并帶來了前所未有的應(yīng)用，如電磁隱形和分辨率突破衍射極限的超透鏡。超常材料是最近十年的研究熱點(diǎn)，特別是基于坐標(biāo)變換理論的指導(dǎo)，眾多新穎的光子器件被提出和實(shí)現(xiàn)。這種基于坐標(biāo)變換理論的超常材料也稱變換介質(zhì)。變換介質(zhì)能夠靈活地操控和引導(dǎo)電磁波的傳輸。
　　 最近，基于光學(xué)變換理論的波形變換器和光束偏折器被提出。但這類器件的功能依賴于出射邊

2、界的變形和偏折。本文中，我們根據(jù)變換光學(xué)理論，提出一種反變換的方法，設(shè)計(jì)變換介質(zhì)平板操控電磁波相位。該方法可以實(shí)現(xiàn)任意的波形變換，而且不依賴于器件的外形，有利于實(shí)現(xiàn)即插即用光器件。具體開展了如下工作：
　　 1.研究利用變換介質(zhì)實(shí)現(xiàn)平面波偏折。從常規(guī)的直接變換方法出發(fā)，建立了反變換的方法，能實(shí)現(xiàn)相同的效果。建立平面波偏折的坐標(biāo)變換，得到材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率張量。利用有限元分析軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)的變換介質(zhì)。在平板器件內(nèi)，功率流方向與波前

3、不垂直，但離開變換介質(zhì)平板后，功率流和波矢具有相同的方向，并在順時針或是逆時針方向偏離原來的入射方向。出射波相對入射波的偏折角度是可控的。在平板介質(zhì)操控出射波方向的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了平板光束分束器和出射方向可控的移位器。利用有限元分析軟件對所設(shè)計(jì)的器件進(jìn)行全波仿真驗(yàn)證。本章結(jié)果可能在高方向性天線和光束分束設(shè)計(jì)方面具有一定的價值。
　　 2.研究利用變換介質(zhì)圓柱調(diào)控光束相位。基于坐標(biāo)變換理論，設(shè)計(jì)變換介質(zhì)圓柱，將平面波前轉(zhuǎn)化成螺旋波前

4、。以高斯光束為例，將其轉(zhuǎn)化成拉蓋爾高斯光束。利用有限元分析方法對所設(shè)計(jì)的變換介質(zhì)圓柱進(jìn)行全波仿真驗(yàn)證。此變換介質(zhì)圓柱在理論上是無反射的，以至轉(zhuǎn)換效率非常高。將不同個數(shù)的變換介質(zhì)圓柱疊加起來，可以很方便的產(chǎn)生任意值的軌道角動量。該方案提供了一種產(chǎn)生具有軌道角動量光束的新方法，對操控光的霍爾效應(yīng)可能具有潛在價值。
　　 3.研究利用平板變換介質(zhì)實(shí)現(xiàn)平面波波形轉(zhuǎn)換?；谧鴺?biāo)變換理論，提出可以將平面波變成凹面波或凸面面波的波形變換器。本